Принципиальный выбор наиболее выгодного диаметра напорного трубопровода (сечения канала и др.) сводится к рассмотрению нескольких вариантов трубопроводов с различным диаметром, и отысканию определенного соизмерения капитальных затрат и ежегодных прямых эксплуатационных расходов по сроку окупаемости, имея в виду, что с увеличением диаметра трубопровода стоимость его возрастает, а стоимость энергии, теряемой за счет гидравлических сопротивлений, уменьшается. Расчет обычно ведется на 1 м трубопровода, а величины сравниваемых диаметров принимают в пределах изменения скоростей течения воды в них 1,5—2,5 м/с с чередованием размеров диаметров по СНиП II-И.1-62.

Для решения этой задачи необходимо иметь следующие исходные данные:

1. график водоподачи насосной станции; если насосная станция подает воду на две самостоятельные зоны или более с отдельными трубопроводами, должны быть отдельные графики водоподачи для каждой зоны;
2.  количество насосов, установленных на насосной станции, их производительность и распределение по зонам качания (если они есть);
3.  количество ниток и материал стенок напорных трубопроводов и схема их соединения с насосами для каждой зоны подъема;
4.  стоимость 1 м укладываемого трубопровода;
5.  стоимость единицы электроэнергии;
6.  коэффициент полезного действия насосной установки: η_н.у=η_нη_двη_перη_с, где η_н — к. п. д. насоса (берется по характеристике); η_дв — к. п. д. двигателя (берется по характеристике или паспорту); η_пер — к. п. д. передачи (при непосредственном соединении двигателя и насоса η_пер=1); η_с — к. п. д. сети (от щита до двигателя), равный 0,98÷1, в среднем η_с=0,99.

Расчету по выбору экономического диаметра трубопровода должны предшествовать:

1. выбор материала стенок трубопровода, их толщины и конструкции,
2. выбор схемы соединения напорных коммуникаций и
3. установление стоимости укладки 1 м трубопровода разных диаметров для данных условий. При этом стоимость электроэнергии предполагается известной.

Ежегодные эксплуатационные расходы для каждого диаметра можно определить по формуле: C’=аЭ+bK, где а — стоимость 1 кВт•ч электроэнергии, руб.; Э — количество теряемой (на сопротивления) электроэнергии на 1 м за год; К — стоимость 1 м трубопровода; b — процент отчисления на амортизацию и текущий ремонт.

Количество теряемой электроэнергии Э для трубопровода, пропускающего, согласно графику водоподачи, различные расходы Q, определится (на 1 м) по зависимости: Э=∫_т(γQh/102η_н.у)=(9,810А/η_н.у)∫_тQ3dt, где Q — расход, пропускаемый трубопроводом; h_ω=0AQ² — теряемый напор; QA — пропускная способность трубопровода; Т — продолжительность работы трубопровода в году, ч; γ — масса единицы объема.

Эта зависимость представляет собой суммирование теряемой энергии (произведений теряемой мощности на время) по периодам графика с различными расходами.

Из приведенной зависимости следует, что теряемая мощность пропорциональна третьей степени пропускаемого расхода (предполагаем для больших диаметров квадратичную зависимость гидравлических сопротивлений, что вполне реально).

Эта зависимость может быть выражена в несколько другом виде: Э=(9,810А/η_н.у)q³_ртТ, где q_рт — некоторая среднекубическая приведенная постоянная величина расхода, определяемая по графику водоподачи по зависимости: q³_рт=∫_тQ³dt/Т.

Для мелиоративных насосных станций графики водоподачи обычно имеют ступенчатую форму, поэтому величину qрт можно определить по формуле: q_рт=³√∑(Q³Δt)/T=³√Q³₁t₁+Q³₂t₂+…/T, где 1, 2 и т. д. — индексы, относящиеся к периодам (первый, второй и т. д.) с различными расходами; t₁+t₂+ … +t_n=T — периоды времени по графику с различными расходами и общая длительность работы станции в году, принимаемые при определении расчетного расхода в сутках.

Так как q_рт — величина постоянная, то стоимость теряемой энергии зависит от пропускной способности трубопровода 0A, которая, в свою очередь, зависит от диаметра трубопровода.

Задаваясь различными диаметрами, определяют капиталовложения на 1 м трубопровода, количество теряемой энергии и ее стоимость. Величина qрт зависит от графика водоподачи, числа напорных трубопроводов и схемы их соединений.

На рисунке 320 приводятся основные и наиболее часто применяемые схемы соединений насосов с напорными трубопроводами.

На рисунке 321 даны различные типы графиков водоподачи станции: график на рисунке 321, а может быть использован для схем а, б, в, г рисунка 320, график на рисунке 321, б — для схем д и е рисунка 320, а график на рисунке 321, в — для схемы рисунка 320, ж.

Ниже приведем формулы для определения расчетного расхода для трубопровода (qрт).

Схема на рисунке 320, а и график водоподачи на рисунке 321, а: q_рт=Q³√(t₁+2_t2+3t₃+2t₄+t₅)/nT.

Схема на рисунке 320, б и график водоподачи на рисунке 321, а: q_рт=Q³√(t₁+2t₂+9t₃+2t₄+t₅)/nT.

Схемы на рисунке 320, в, г и график водоподачи на рисунке 321, а: q_рт=(Q³√(t₁+2³t₂+3³t₃+2³t₄+t5)/T)/n.

Схемы на рисунке 320, д и е и график водоподачи на рисунке 321, б: q_рт=(Q³√(t1+2³t₂+4³t₃+3³t₄+2³t₅)/T)/n.

Схема на рисунке 320, ж и график водоподачи на рисунке 321, в: q_рт=Q³√t₁+2³t₂+t₃/T, где n — число напорных трубопроводов.

Все расчеты по выбору экономически наивыгоднейшего диаметра сводят в таблицу, в которой для нескольких диаметров (располагаемых по вертикали) определяют капиталовложения, количество теряемой энергии, ежегодные эксплуатационные расходы, приведенные затраты (К_пр) и по минимуму их определяют экономически наивыгодный диаметр трубопровода.

При напорах более 30—40 м и длинах трубопроводов более 300—400 м экономически целесообразно разбивать трубопровод на участки по величине напора, для которых устанавливать расчетом толщины стенок, уменьшая их с уменьшением напора, определять для этих участков свои значения экономических диаметров. При значительных напорах следует с уменьшением давления изменять и материал стенок трубопроводов, переходя, например, от стальных трубопроводов к железобетонным.

Рассмотренные схемы соединений насосов с напорными трубопроводами создают различные величины гидравлических сопротивлений. Чем сложнее схема, тем больше сопротивлений она вызывает, и чем короче напорный трубопровод, тем больше их относительная величина в сумме сопротивлений, вызываемых трубопроводами. К этому следует добавить, что по трассе трубопровода также могут возникать местные сопротивления за счет поворота, фасонных частей переключений и перемычек, изменения диаметров, фасонных частей для отбора воды и др. При относительной величине местных сопротивлений больше 5% их следует учитывать при расчетах по выбору экономически наивыгоднейшего диаметра. Величина сопротивлений для каждой схемы определяется расчетом и учитывается введением коэффициента к потерям на трение на 1 м. Если принять схему на рисунке 320, а за исходную, то относительное влияние местных сопротивлений в зависимости от характера трассы и длины трубопроводов, например, для схем б, в и г может изменяться в значительных пределах и давать среднее увеличение общих сопротивлений соответственно К_б=1,05÷1,20; К_в=1,10÷1,25; К_г=1,12÷1,30, а иногда и более. При этом предполагается относительно плавное уменьшение скоростей от патрубка насоса до напорного трубопровода.

Рассмотрим для некоторых схем соединения трубопроводов обоснование приведенных выше формул для определения qрт, положив в основу формулу определения теряемого количества энергии.

Схема на рисунке 320, а. Согласно графику на рисунке 321, а с учетом одинаковой продолжительности работы каждого трубопровода и расхода каждого насоса Q можно написать равенство:
(9,810A/η_н.у)q³_ртТ=9,810А/η_н.у(Q³t₁/n+Q³2t₂/n+Q³3t₃/n+Q³2t₄/n+Q³t₅/n).

После сокращений и преобразований будем иметь: q_рт=Q³√(t₁+2t₂+3t₃+2t₄+t₅)/Tn.

Схема на рисунке 320, б. По аналогии с предыдущим можно написать равенство:
(9,810A/η_н.у)q³_ртТ=9,810А/η_н.у(Q³t₁/n+Q³2t₂/n+(2Q)³t₃/n+Q³t₃/n+Q³2t₄/n+Q³t₅/n).

После сокращения и преобразований будем иметь: q_рт=Q³√(t₁+2t₂+9t₃+2t₄+t₅)/Tn.

Схемы на рисунке 320, в и г. По аналогии с предыдущим можно написать равенство:
(9,810A/η_н.у)q³_ртТ=9,810А/η_н.у=[(Q/n)³ t₁+(2Q/n)³ t₂+(3Q/n)³ t₃+(2Q/n)³ t₄+(Q/n)³ t₅].

После сокращений и преобразований будем иметь: q_рт=(Q³√(t₁+8t₂+27t₃+8t₄+t₅)/T)/n.